Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Мурманской области

В последние годы во всем мире ведутся исследования, направленные на поиск и вовлечение в топливно-энергетический баланс новых источников энергии. Особый интерес проявляется к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ), таким как энергия солнца, ветра, гидроэнергия малых рек, приливная энергия и др. Потенциальные возможности применения этих источников огромны.

В России также не сбрасываются со счетов возможности использования НВИЭ [1-5]. Вовлечение их в хозяйственный оборот - это путь к сокращению объемов использования органического топлива, энергосбережению и улучшению экологической обстановки вблизи потребителей энергии.

Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии наиболее перспективно в районах, располагающих повышенным потенциалом этих источников и испытывающих недостаток в обычных традиционных топливных ресурсах. На Европейском Севере России к числу таковых относится Мурманская область, энергетика которой, наряду с использованием местных гидроресурсов, в значительной мере базируется на привозном топливе (ядерном горючем, угле, нефтепродуктах, сжиженном газе). В то же время область располагает широким набором возобновляемых источников.

Солнечная энергия

Согласно результатам наблюдений на актинометрических станциях [6] приход суммарной солнечной радиации в ясные дни на Кольском п-ове составляет 4600-4900 МДж/м2. Сильная облачность, характерная для региона в целом, снижает поступление прямой солнечной радиации на 60-75%, но увеличивает рассеянную радиацию более чем в полтора раза. В результате при реальных условиях облачности годовой приход суммарной радиации составляет около 2800 - 3600 МДж/м , или 650 - 850 кВт-ч/м (рис. 1). В целом за год приполярные районы Кольского п-ова уступают по суммарной солнечной радиации районам средней полосы и юга страны соответственно в 1.3 и 1.7 раза.

Мурманская область почти полностью расположена за полярным кругом, поэтому месячное число часов солнечного сияния изменяется в течение года в широких пределах - от 0 часов в декабре до 200-300 ч в июне и июле. Годовая продолжительность солнечного сияния составляет около 1200 ч на севере области и 1600 ч в ее южных районах.

Валовые (потенциальные) ресурсы солнечной энергии, поступающей за год на территорию Мурманской области, составляют около 1.1-1014 кВт-ч. С одной стороны, это огромные ресурсы, а с другой - будучи рассредоточенными по обширной территории области, они имеют малую плотность. Для практического использования солнечной энергии даже в южных солнечных районах страны требуются большие капиталовложения. Удельная стоимость солнечных энергетических установок на мировом рынке достигает 7-10 тыс. долл./кВт. Это значительно выше аналогичного показателя, например, ветроэнергетических установок (1-2 тыс. долл/кВт). Себестоимость электроэнергии, производимой солнечными установками, оказывается довольно высокой. Возможно, в перспективе, по мере усовершенствования и удешевления, солнечные энергетические установки могут стать конкурентоспособными. Пока же в Мурманской области они могут найти ограниченное применение лишь в особых случаях.

 Рис. 1. Годовой приход солнечной радиации на территорию Мурманской области : 1 - Цып-Наволок; 2 - Дальние Зеленцы; 3 - Мурманск; 4 - Янискоски; 5 - Хибины; 6 - Краснощелье; 7 - Умба; 8 - Чаваньга

Энергия ветра

Результаты обработки 20-летних рядов наблюдений за скоростью ветра по 37 метеорологическим станциям Кольского п-ова показали [7-8], что наибольшие скорости ветра наблюдаются в прибрежных районах Баренцева моря (рис. 2). На северном побережье они составляют 7-8 м/с (на высоте 10 м), на Терском берегу несколько ниже - 5-7 м/с. По мере удаления от береговой линии интенсивность ветра заметно снижается. Скопировано с сайта discoverkola.com

Рис. 2. Средние многолетние скорости ветра (м/с) на высоте 10 м от поверхности Земли в условиях открытой ровной местности

Исследованиями установлено, что на Кольском п-ове имеет место зимний максимум скоростей ветра (рис. 3). Это является благоприятной предпосылкой для эффективного использования энергии ветра. Максимум скоростей ветра приходится на холодное время года и совпадает с сезонным пиком потребления тепловой и электрической энергии. Весьма существенно, что зимний максимум находится в противофазе с годовым стоком рек (рис. 3, гистограмма 5). Ветровая и гидроэнергия удачно дополняют друг друга, и это создает благоприятные условия для их совместного использования.

Рис. 3. Годовой ход среднемесячных скоростей ветра на островах (1) и побережье (2) Баренцева моря, на побережье Белого моря (3), в Хибинах (4) и гидрограф рек (5): 1 - метеостанция о. Харлов; 2 - Дальние Зеленцы; 3 - Чаваньга; 4 - Центральная (горы Хибины)

Применительно к Кольскому п-ову можно говорить о районах с преобладающими (господствующими) направлениями ветра. К их числу относится северное побережье п-ова , где около 50-60% годового времени дуют юго-западные ветры. Эти направления ветра являются одновременно наиболее сильными и энергонасыщенными [1, 3]. Учет этого фактора может позволить более рационально размещать ветроэнергетические установки (ВЭУ) на местности, выигрывая на стоимости сооружения коммуникаций (подъездных путей, кабельных линий и т. д.).

Кольский п-ов располагает огромными ветроэнергетическими ресурсами (табл. 1). Если ветроустановки располагать на местности на расстоянии 10 диаметров ветроколеса друг от друга, то суммарная установленная мощность ВЭУ составит около 120 млн кВт, а годовая выработка электроэнергии (технические ветроэнергоресурсы) - около 360 млрд кВт-ч.

Таблица 1

Ресурсы ветра Кольского п-ова в приземном слое высотой 100 м [7]

Характеристика		Зоны			Всего
	1	2	3	4
Среднегодовая скорость ветра, м/с: на высоте 10 м	7.5	6.5	5.5	4.5
на высоте 70 м	9.6	8.6	7.5	6.5
Удельная энергия ветра, МВт-ч/м2 в год	10.7	7.8	5.2	3.4
Среднегодовая удельная мощность ветра, кВт/м2	1.22	0.89	0.59	0.39
Расчетная скорость ветра, м/с	15.7	13.8	11.6	11.0
Мощность ВЭУ на 1 км2 территории, МВт	7.2	4.9	2.9	1.9
Выработка, млн кВт-ч/км2 год	21.6	14.7	8.7	5.7
Использования установленной мощности,ч/год	3000	3000	3000	3000
Площадь зоны, тыс. км2	3.5	5.9	9.4	20.7	39.5
Мощность ВЭУ в зоне, тыс. МВт	25	29	27	39	120
Технические ресурсы ветра, млрд кВт-ч	75	57	81	117	360

Представленная оценка свидетельствует о том, что ресурсы ветровой энергии региона на порядок превосходят его потребности в электроэнергии на сегодняшний день. Использование наиболее доступной и выгодной части этих ресурсов и вовлечение их в хозяйственный оборот - задача, безусловно, заслуживающая внимания.

Гидроэнергия малых рек

Потенциальные гидроэнергоресурсы малых рек Мурманской области (рис. 4) составляют около 790 МВт среднегодовой мощности и 6.9 млрд кВтч среднегодовой энергии, а технические - соответственно 516 МВт и 4.4 млрд кВтч/год (табл. 2). В число рассмотренных рек не вошли мелкие реки и ручьи, которых в области насчитывается многие сотни и которые могут найти применение лишь для микроГЭС.

Рис. 4. Малые реки Мурманской области (наименование рек - в табл. 2)

Таблица 2

Гидроэнергетические ресурсы малых рек Мурманской области

Бассейн реки	Площадь водосбора, км	Ресурсы, млн кВтч
		потенциальные	технические
1	2	3	4
1. Пченга	1830	149	97
2. Титовка	1226	187	122
3. Зап.Лица	1688	228	149
4. Ура	1030	142	93
5. Кола	3836	302	196
6. Средняя	567	91	59
7. Оленка	491	88	57
8. Рында	1018	219	143
9. Харловка	2016	394	257
10. Вост. Лица	1872	423	276
11. Сидоровка	335	59	38
12. Варзина	1456	288	91
13. Дроздовка	468	81	53
14. Лумбовка	1039	193	126
15. Каменка	483	69	45
16. Качковка	843	115	75
17. Снежница	236	47	31
18. Сосновка	582	96	63
19. Бабья	348	61	40
20. Лиходеевка	308	68	44
21. Пулонга	734	114	74
22. Усть-Пялка	253	43	28
23. Пялица	946	151	100
24. Чапома	1107	175	114
25. Стрельна	2773	333	217
26. Чаваньга	1212	158	142
27. Оленица	403	34	22
28. Умба	6248	740	481
29. Колвица Б.	1310	96	63
30. Лувеньга	202	24	16
31. Пиренга	4236	138	90
32. Тумча	4455	469	305
33. Печа	1658	133	86
34. Нота	3400	102	66
35. Лотта	4720	83	54
36. Проч. реки	1810	820	530
Всего		6913	4443

 

Энергия морских приливов

Важной особенностью приливной энергии является неизменность ее среднемесячного значения в годовом и многолетнем разрезах. Благодаря этому качеству приливная энергия, несмотря на прерывистость в суточном цикле, представляет собой довольно мощный энергетический источник, который может быть использован при объединении его с речными гидроэлектростанциями, имеющими водохранилища. При таком объединении пульсирующие прерывистые, но неизменно гарантированные потоки приливной энергии, зарегулированные энергией речных ГЭС, способны участвовать в покрытии графика электрической нагрузки.

Рекогносцировка побережья Баренцева и Белого морей с целью выявления створов для строительства приливных электростанций была выполнена Л.Б. Бернштейном в 1938-1941 гг. Уже тогда были намечены створы возможного размещения ПЭС на побережье Кольского п-ва. Ввиду относительно небольшой величины прилива на побережье Кольского п-ова (2-3 м) и ограниченности акваторий, которые можно отсечь плотиной, сооружение экономически эффективных ПЭС возможно далеко не повсеместно. Действующая опытная Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт построена в створе губы Кислой западнее Мурманска. Особого внимания заслуживает Лумбовский залив на крайнем северо-востоке Кольского п-ова, где средняя величина прилива составляет 4.2 м, а возможная для отсечения акватория залива достигает 70-90 км2. Различные варианты использования залива позволяют построить здесь ПЭС мощностью до 670 МВт с годовой выработкой около 2000 МВт-ч/год. В качестве промежуточного этапа на пути к сооружению Лумбовской ПЭС предлагается строительство опытно-промышленной ПЭС в губе Долгой (в 6 км западнее Териберки). Эта ПЭС рассматривается специалистами также как прототип крупных Мезенской ПЭС в Архангельской области и Тугурской ПЭС в Охотском море на Дальнем Востоке.

Энергия морских волн

Волновая энергия обладает более высокой, по сравнению с ветром и солнцем, плотностью энергии. Морские волны накапливают в себе энергию ветра на значительном пространстве и являются, таким образом, природным концентратом энергии. Достоинством этого возобновляемого источника является доступность морских волн широкому кругу прибрежных потребителей, недостатком - нестабильность во времени, зависимость от ледовой обстановки, а также сложность преобразования и передачи энергии от волновых энергетических установок на берег потребителю.

Баренцево море, омывающее побережье Кольского п-ова, прилегает к крайней северо­восточной части Атлантического океана. Среднегодовой потенциал волновой энергии здесь составляет 25-30 кВт на 1 м гребня волны. Потенциал волновой энергии Белого моря значительно ниже - 9-10 кВт/м.

Учитывая суровость природно-климатических условий Заполярья (низкие температуры воздуха, явления оледенения, короткий световой день и т.д.) использование волновой энергии здесь представляется проблематичным.

Запасы торфа

Запасы торфа-сырца Мурманской области, изученные в 1960-е годы Ленинградским отделением проектно-изыскательского института “Гипроторфразведка”, оцениваются в 26.1 млрд м3 или 3.1 млрд т воздушно-сухого торфа. Это 1.2 млрд тонн условного топлива (т у.т.). Крупные месторождения торфа (площадью от 1000 га и выше) в основном сосредоточены в Терском и Ловозерском районах Мурманской области. Отличительной чертой торфяных месторождений является отсутствие крупных монолитных массивов, а также незначительная средняя глубина залежи - около 1.4 м. В связи с этим коэффициент полезного извлечения торфа может составить всего 0.2­

3. С учетом этого прогнозные технические ресурсы торфа Мурманской области оцениваются примерно в 300 млн т у.т.

Торф обладает как положительными, так и отрицательными качествами. В числе первых - более низкое, чем в мазуте и угле содержание серы, и поэтому использование торфа оказывает меньшее негативное воздействие на окружающую среду. К числу недостатков торфа относятся низкая теплотворная способность и ее зависимость от влажности, низкий удельный вес, ограничивающий экономически оправданную дальность перевозки, а также высокая пожароопасность и зависимость заготовки от климатических условий. В совокупности эти факторы сдерживают использование торфа в Мурманской области в настоящее время.

Биоэнергетические ресурсы

К их числу относятся отходы животноводства и птицеводства, а также отходы лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности.

Отходы животноводства и птицеводства представляют собой ценное органическое удобрение, содержащее необходимые для растений питательные вещества (азот, фосфор, калий, микроэлементы). С другой стороны, они могут рассматриваться в качестве сырья для получения биогаза, который может использоваться в энергетических целях. Получаемый в процессе сбраживания газ на 60-80% состоит из метана, 20-25% - углекислого газа, а также некоторого количества сероводорода, аммиака, окислов азота. Посредством относительно простых операций биогаз можно очистить до качества природного газа. В такой очищенной форме его можно закачивать в баллоны и применять в двигателях внутреннего сгорания для получения электрической и тепловой энергии. Теплотворная способность биогаза составляет 5-6 тыс. ккал/м3.

Поголовье скота и птицы в Мурманской области в 2008 г. составляло (тыс. голов): крупный рогатый скот - 8.6, свиньи - 45.8, птицы - 935 [9]. Это поголовье позволяет ежегодно получать 27 млн м3 биогаза или 18.2 тыс. тонн условного топлива (т у.т.). Поскольку 25-50% получаемого биогаза расходуется на компенсацию теплопотерь и подогрев исходного материала, товарный выход биогаза составит 14- 20 млн м3 или 9-14 тыс. т у.т. При коэффициенте полезного использования биогаза 0.7 его технические ресурсы составят 7-10 тыс. т у.т., или 60-80 млн кВт-ч/год.

Отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности в Мурманской области используются в незначительных объемах. Но в последние годы к ним стал проявляться растущий интерес. Это объясняется возросшими ценами на традиционные виды органического топлива (уголь, нефтепродукты и газ) и ужесточением требований к охране окружающей среды.

Объемы древесных отходов в Мурманской области сравнительно невелики. По данным Мурманскоблстата [10], в 2008 г. в области было заготовлено и вывезено 56 тыс. плотных м3 (пл. м3) древесины, в том числе деловой 52 тыс. пл. м3. Около 40% этой древесины после переработки на пиломатериалы ушло в отходы (технологическая щепа, кора, кусковые отходы, опилки), всего около 20 тыс. пл. м3. При удельной массе сухой стволовой древесины 0.7 т/пл. м3 и теплотворной способности 4800 ккал/кг [1] это эквивалентно 10 тыс. т у. т. Если сюда добавить отходы при лесозаготовке (сучья, ветки, пни, корни, обломки и обрезки стволов и т.д.), то суммарные отходы лесозаготовительной и лесопильной промышленности составят около 14 тыс. ту. т. в год. При коэффициенте полезного использования 0.5 технические ресурсы древесных отходов составят 7 тыс. т у.т. или 0.06 млрд кВт-ч в год.

Биоэнергетические ресурсы региона (отходы животноводства, птицеводства, лесной и деревообрабатывающей промышленности) в сумме эквивалентны примерно 15 тыс. т у.т. в год (около 0.4% от годового потребления котельно-печного топлива области). Очевидно, что эти ресурсы могут иметь лишь местное значение, в основном применительно к тем предприятиям, которые эти отходы и производят.

Представленная оценка ресурсов нетрадиционных и возобновляемых источников энергии региона, анализ их достоинств и недостатков позволяет сделать следующее заключение о приоритетах их возможного практического использования.

Ресурсы солнечной энергии, энергии морских приливов и волн, ископаемые запасы торфа хоть и велики, но в ближайшей перспективе смогут найти в Мурманской области ограниченное применение, главным образом из-за неблагоприятных природно-климатических условий.

В отличие от этого ресурсы ветровой энергии и гидроэнергии малых рек располагают очевидными предпосылками для их широкого использования. В связи с этим решение вопросов их практического освоения заслуживает самого пристального внимания.

Литература

1, Безруких П.П., Борисов Г.А., Виссарионов В.И. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб.: Наука, 2002. 314 с.

2. Зубарев В.В., Минин В.А., Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера. Л.: Наука, 1989. 208 с.

3. Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы освоения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии на Кольском п-ове. Мурманск: Объединение Bellona, 2007. 92 с.

4. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. М.: ГУ ИЭС Минэнерго России, 2001. 544 с.

5. Минин В.А., Бежан А.В. Перспективы использования энергии ветра для теплоснабжения потребителей Европейского Севера. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2009. 56 с.

6. Справочник по климату СССР. Вып. 2. Ч. 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 62 с.

7. Минин В.А., Дмитриев Г.С., Иванова Е.А., Морошкина Т.Н., Никифорова Г.В., Бежан А.В. Энергия ветра - перспективный возобновляемый энергоресурс Мурманской области: препринт. Апатиты: Изд. кНц РАН, 2006. 73 с.

8. Минин В.А., Дмитриев Г.С. Перспективы использования энергии ветра и малых ГЭС в удаленных районах Мурманской области. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2007. 97 с.

9. Регионы Северо­Западного федерального округа. Социально-экономические показатели. Сыктывкар: Комистат, 2009. 203 с.

10. Мурманская область: справочник. Мурманск: Мурманскстат, 2009. 38 с.

Автор: В.А. Минин. Центр физико-технических проблем энергетики Севера

Источник